JP4940889B2 - Battery characteristic detection method and battery characteristic detection apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、電池特性の一時的変化や特性劣化の検出および放電可能容量の算出に関する。   The present invention relates to detection of temporary changes in battery characteristics and characteristic deterioration and calculation of dischargeable capacity.

電力源としての電池に、メモリ効果等の一時的な特性変化や、特性劣化などによる特性変化が発生するとその電池の能力等に制限が生ずるため、電池の状態を検出することは重要である。   It is important to detect the state of the battery because a temporary characteristic change such as a memory effect or a characteristic change caused by characteristic deterioration occurs in the battery as a power source, because the capacity of the battery is limited.

そこで、従来より、電池の状態を検出する方法として、電池にメモリ効果又は劣化が生じているかどうかを検出するための方法が提案されている。   Therefore, conventionally, as a method for detecting the state of the battery, a method for detecting whether or not the memory effect or deterioration has occurred in the battery has been proposed.

例えば、特許文献1に開示された電気自動車用二次電池のSOC(State of Charge)演算方法では、電池開放電圧と電池の充電状態を表すSOCとの相関を示す開放電圧とSOCとの相関を利用して、電池開放電圧から電池の充電状態を算出している。具体的には、電池開放電圧Eを電池の内部抵抗rと、充電時の電池の電流I及び電圧Vとから下記式(1)
E=V+I・r ・・・(1)
により求める。ここで、電池の内部抵抗rは、電池に関して予め与えられる所定抵抗値r0と、電池温度Tに基づく第1の抵抗比A1と、所与の基準充電状態に基づく第2の抵抗比A2とから、下記式(2)
r=r0・A2/A1 ・・・(2)
により算出される。基準充電状態としては、充電状態算出時より過去に算出された充電状態や計測された開放電圧などが用いられる。
For example, in the SOC (State of Charge) calculation method for the secondary battery for an electric vehicle disclosed in Patent Document 1, the correlation between the open circuit voltage and the SOC indicating the correlation between the battery open voltage and the SOC indicating the state of charge of the battery is calculated. Utilizing this, the state of charge of the battery is calculated from the battery open voltage. Specifically, the battery open voltage E is expressed by the following formula (1) from the internal resistance r of the battery and the current I and voltage V of the battery at the time of charging.
E = V + I · r (1)
Ask for. Here, the internal resistance r of the battery is based on a predetermined resistance value r0 given in advance with respect to the battery, a first resistance ratio A1 based on the battery temperature T, and a second resistance ratio A2 based on a given reference charge state. The following formula (2)
r = r0 · A2 / A1 (2)
Is calculated by As the reference charge state, a charge state calculated in the past from the time of charge state calculation, a measured open-circuit voltage, or the like is used.

典型的には、内部抵抗rとして、一定の設定値r0(例えばSOC=100%、電池温度20℃の時の内部抵抗)を用いることが非常に一般的である。しかし上記特許文献1では、内部抵抗rが電池温度やそのときのSOCに依存するため、一定の設定値r0を用いて算出された配向電圧Eと実際の開放電圧Eoとの間に誤差が生じ、開放電圧Eの誤差の分だけSOCの算出精度が低下してしまうことを防止するために、上記のように内部抵抗rを式(2)に応じて算出している。   Typically, as the internal resistance r, it is very common to use a constant set value r0 (for example, internal resistance when SOC = 100% and the battery temperature is 20 ° C.). However, in Patent Document 1, since the internal resistance r depends on the battery temperature and the SOC at that time, an error occurs between the orientation voltage E calculated using a constant set value r0 and the actual open circuit voltage Eo. In order to prevent the SOC calculation accuracy from being reduced by the error of the open circuit voltage E, the internal resistance r is calculated according to the equation (2) as described above.

また、特許文献2では、蓄電デバイスの充放電状態とこの蓄電デバイスに接続される電気負荷の状態との双方の状態を考慮して、蓄電デバイスの残存容量を求める旨が記載されている。具体的には、蓄電デバイスの電流積算(充放電電流の積算値)に基づいて第1残存量を求め、また、蓄電デバイスの開放電圧の推定値(内部インピーダンスから推測した開放電圧)に基づく第2残存容量を求め、上記蓄電デバイスの電流積算状態と、蓄電デバイスに接続される電気負荷の状態とに応じて重み付けした第1及び第2残存容量を合成する。得られた合成値を蓄電デバイスの最終的な残存容量とすることが提案されている。   Patent Document 2 describes that the remaining capacity of an electricity storage device is obtained in consideration of both the state of charge / discharge of the electricity storage device and the state of an electrical load connected to the electricity storage device. Specifically, the first remaining amount is obtained based on the current accumulation of the electricity storage device (integration value of the charge / discharge current), and the first value based on the estimated value of the open circuit voltage of the electricity storage device (open voltage estimated from the internal impedance). 2 The remaining capacity is obtained, and the first and second remaining capacity weighted according to the current integration state of the power storage device and the state of the electric load connected to the power storage device are synthesized. It has been proposed that the resultant composite value be the final remaining capacity of the electricity storage device.

図16は、特許文献1に開示された電池内部抵抗rの特性を示す図であり、縦軸は内部抵抗rを、横軸はDOD(depth of discharge)をそれぞれ表している。なお、DOD=0%はSOC=100%に対応し、DOD=100%はSOC=0%に対応している。また、図16において、L(0)は電池温度T=0℃のときの内部抵抗特性を示しており、L(20),L(40)はT=20℃およびT=40℃のときの内部抵抗特性を示している。放電末期のDODが大きい領域を除けば、特性L(0),L(20),L(40)は互いに平行な直線と見なすことができる。   FIG. 16 is a diagram showing the characteristics of the battery internal resistance r disclosed in Patent Document 1. The vertical axis represents the internal resistance r, and the horizontal axis represents DOD (depth of discharge). Note that DOD = 0% corresponds to SOC = 100%, and DOD = 100% corresponds to SOC = 0%. In FIG. 16, L (0) indicates the internal resistance characteristics when the battery temperature is T = 0 ° C., and L (20) and L (40) are when T = 20 ° C. and T = 40 ° C. The internal resistance characteristics are shown. Except for a region where the DOD at the end of discharge is large, the characteristics L (0), L (20), and L (40) can be regarded as straight lines parallel to each other.

この図16からも明らかなように、電池の残存容量と内部抵抗には相関がある。しかし、特許文献1などでは、電池の残存量と内部抵抗との相関性が低い理由を例示しており、内部抵抗値から残存容量を求めるのではなく、閉回路電圧から内部抵抗値、負荷電流等の演算を経て、開回路電圧を推定し、開回路電圧と残存容量の相関から残存容量値を推定している。   As is clear from FIG. 16, there is a correlation between the remaining capacity of the battery and the internal resistance. However, Patent Document 1 exemplifies the reason why the correlation between the remaining amount of the battery and the internal resistance is low. Instead of obtaining the remaining capacity from the internal resistance value, the internal resistance value and the load current are determined from the closed circuit voltage. Through the above calculation, the open circuit voltage is estimated, and the remaining capacity value is estimated from the correlation between the open circuit voltage and the remaining capacity.

また、特許文献2においても、電池の残存容量の算出に際し、充電・放電の履歴を考慮した補正・重み付けを行っているものの、電池の内部抵抗についての特別な考慮はなされていない。   Also in Patent Document 2, although correction / weighting is performed in consideration of the charge / discharge history in calculating the remaining capacity of the battery, no special consideration is given to the internal resistance of the battery.

本願発明者らの研究の結果、電池の抵抗は一般的に大きく以下の3要因に分類できることが判明した。
(i)オーム損抵抗(集電構造、電解液比抵抗、電極面積等に由来)
(ii)反応抵抗(電池反応の起こり易さを反映。電気化学的な交換電流密度でも同義)
(iii)物質移動抵抗 (電極内反応物質が反応部位まで移動する動き易さを反映)
As a result of the study by the present inventors, it has been found that the resistance of the battery is generally large and can be classified into the following three factors.
(I) Ohmic loss resistance (derived from current collecting structure, electrolyte specific resistance, electrode area, etc.)
(Ii) Reaction resistance (reflects the ease of battery reaction. The same is true for electrochemical exchange current density)
(Iii) Mass transfer resistance (reflects the ease with which the reactant in the electrode moves to the reaction site)

従来、内部抵抗について、上記オーム損抵抗と、それ以外の抵抗とを分離して考慮する試みはあったが、(ii)反応抵抗と(iii)物質移動抵抗とを区別することは行われておらず、メモリ効果に代表される電池の一時的な特性変化を高精度に検知することが困難であった。そこで、本願発明者らは引用文献3において、内部抵抗の一種である電池内の物質移動抵抗を考慮して簡易かつ迅速に電池の特性変化を検出する方法を提案している。   Conventionally, there have been attempts to separate the internal resistance from the ohmic loss resistance and other resistances, but (ii) reaction resistance and (iii) mass transfer resistance have been distinguished. In addition, it has been difficult to detect a temporary change in characteristics of the battery represented by the memory effect with high accuracy. In view of this, the inventors of the present application have proposed a method for detecting a change in battery characteristics in a simple and rapid manner in consideration of mass transfer resistance in the battery, which is a kind of internal resistance.

特許第3543662号公報Japanese Patent No. 3543662 特開2006−170621号公報JP 2006-170621 A 特開2005−69889号公報JP 2005-69889 A

以上のような従来技術における算出対象は、電池の一般的な残存容量である。しかし、本願発明者らの研究の結果、電池に厳密に蓄えられている残存容量と、例えば、ハイブリット(HV)自動車のように、大出力が短時間繰り返される場合の残存容量とは異質であることが判明した。   The calculation target in the conventional technology as described above is a general remaining capacity of the battery. However, as a result of the present inventors' research, the remaining capacity that is strictly stored in the battery is different from the remaining capacity when a large output is repeated for a short time, such as a hybrid (HV) car. It has been found.

例えば、電池利用者が、緩やかな放電を継続した結果、取り出し得る残存容量を知りたい場合や、大電力の短時間入出力を繰返し実行している状態における利用可能な残存容量を知りたい場合のように、同じ残存容量と表現されても、厳密には異なるパラメータである。さらに、入力、出力変動の大きな電池利用形態を考えた場合、真の意味での残存容量よりも、利用電力の大きさを考慮した残存容量、つまり、実際に利用可能な容量が検出できることが有用であるとの結論に至った。しかし、上述のように定義される内部抵抗(i)〜(ii)は、実際に利用可能な電池容量に対して相関が低い。   For example, when a battery user wants to know the remaining capacity that can be taken out as a result of continuing gradual discharge, or when the user wants to know the remaining capacity that can be used in a state where high-power short-time input / output is repeatedly executed Thus, even if they are expressed as the same remaining capacity, they are strictly different parameters. Furthermore, when considering battery usage forms with large input and output fluctuations, it is useful to be able to detect the remaining capacity in consideration of the amount of power used, that is, the actually usable capacity, rather than the true remaining capacity. It came to the conclusion that it is. However, the internal resistances (i) to (ii) defined as described above have a low correlation with the actually usable battery capacity.

本発明では、実際に利用可能な電池の残存容量を検出することを目的とする。   An object of the present invention is to detect the remaining capacity of a battery that can actually be used.

本発明は、電池特性の検出方法であって、所定状態の電池に、所定周波数の正弦波を印加した際の応答電流を検出し、前記応答電流に基づいて、電池のサセプタンス又はコンダクタンスの少なくとも一方を算出し、算出した前記サセプタンス又はコンダクタンスと、電池の放電可能容量との対応関係から前記電池の放電可能容量を検出する。   The present invention is a method for detecting battery characteristics, wherein a response current when a sine wave of a predetermined frequency is applied to a battery in a predetermined state is detected, and at least one of the susceptance or conductance of the battery based on the response current And the dischargeable capacity of the battery is detected from the correspondence between the calculated susceptance or conductance and the dischargeable capacity of the battery.

本発明の他の態様では、上記電池特性の検出方法において、前記電池のサセプタンスは、前記電池に印加した前記正弦波と同一の周波数及び同位相の正弦波信号の正極性区間に対する応答電流の積分によって算出し、前記電池のサセプタンスは、前記正弦波と同一の周波数及びπだけ位相の異なる余弦波信号の正極性区間に対する前記応答電流の積分によって算出する。   In another aspect of the present invention, in the battery characteristic detection method, the susceptance of the battery is an integration of a response current with respect to a positive polarity section of a sine wave signal having the same frequency and the same phase as the sine wave applied to the battery. The susceptance of the battery is calculated by integrating the response current with respect to the positive section of the cosine wave signal having the same frequency and a phase different by π as the sine wave.

本発明の他の態様では、電池特性の検出方法であって、電池の温度及び開回路電圧を測定し、前記電池の直前の利用状態が充電か放電かを特定する第1ステップと、電池に所定の信号を印加した際の応答電流から当該電池のサセプタンス及びコンダクタンスを算出する第2ステップと、前記算出した電池のサセプタンス及びコンダクタンスと、特定された前記電池の直前利用状態に応じた電池固有のサセプタンス及びコンダクタンスの各しきい値とを比較し、比較結果に応じて、該当電池の劣化状態を判定する第3ステップと、判定された前記電池の劣化状態を考慮し、かつ、前記算出した当該電池のサセプタンス又はコンダクタンスに基づいて前記電池の放電可能容量を算出する第4ステップと、を備える。   In another aspect of the present invention, there is provided a battery characteristic detection method comprising: a first step of measuring a battery temperature and an open circuit voltage, and identifying whether a use state immediately before the battery is charge or discharge; A second step of calculating the susceptance and conductance of the battery from the response current when a predetermined signal is applied, the battery specific susceptance and conductance, and the battery specific according to the specified use state immediately before the battery Comparing each threshold value of susceptance and conductance, and determining the deterioration state of the battery according to the comparison result, taking into account the determined deterioration state of the battery, and the calculated And a fourth step of calculating the dischargeable capacity of the battery based on the susceptance or conductance of the battery.

本発明の他の態様では、上記電池特性の検出方法において、前記第2ステップにおいて算出する電池のサセプタンス又はコンダクタンスは、前記電池に対して該電池の開回路電圧に所定周波数の微小交流電位を重畳した際の応答電流の解析によって求める。   In another aspect of the present invention, in the battery characteristic detection method described above, the susceptance or conductance of the battery calculated in the second step is such that a minute AC potential having a predetermined frequency is superimposed on the open circuit voltage of the battery. It is obtained by analyzing the response current at the time.

本発明の他の態様では、電池特性の検出装置であって、所定状態の電池に印加する交流波形を発生する検出用交流波形発生手段と、前記検出用交流波形を前記電池に印加した際の電池の応答電流を検知する応答電流検知手段と、前記応答電流に基づいて前記電池の特性を判定する判定手段とを備え、前記判定手段は、前記応答電流から前記電池のサセプタンス又はコンダクタンスの少なくとも一方を算出する算出手段と、標準状態における前記サセプタンス又はコンダクタンスに応じた所定しきい値と、前記算出したサセプタンス又はコンダクタンスとを比較する比較手段と、前記算出したサセプタンス又はコンダクタンスが前記所定しきい値未満になった場合に前記電池に特性変化が発生したと判定する特性変化判定手段と、を備える。   According to another aspect of the present invention, there is provided a battery characteristic detection device, the detection AC waveform generating means for generating an AC waveform applied to a battery in a predetermined state, and the detection AC waveform when the detection AC waveform is applied to the battery. Response current detecting means for detecting the response current of the battery, and determination means for determining the characteristics of the battery based on the response current, wherein the determination means determines at least one of the susceptance or conductance of the battery from the response current A calculating means for calculating the susceptance or conductance in a standard state and a comparing means for comparing the calculated susceptance or conductance with the calculated susceptance or conductance being less than the predetermined threshold Characteristic change determining means for determining that a characteristic change has occurred in the battery.

本発明の他の態様では、上記検出装置において、さらに、温度測定手段と、所定温度毎の標準状態における前記サセプタンス又はコンダクタンスのしきい値と、所定温度毎の標準状態における前記サセプタンス又はコンダクタンスと前記電池の放電可能容量との対応マップとをそれぞれ格納する記憶手段と、を備え、前記判定手段は、前記算出した電池のサセプタンス又はコンダクタンスの一方と、前記温度測定手段で得た温度における対応する前記しきい値と比較し、前記電池の特性を判定し、前記算出した電池のサセプタンス又はコンダクタンスの一方から、前記対応マップに基づいて電池の放電可能容量を求める。   In another aspect of the present invention, the detection device further includes a temperature measurement unit, a threshold value of the susceptance or conductance in a standard state at each predetermined temperature, the susceptance or conductance in a standard state at a predetermined temperature, and the Storage means each storing a correspondence map with the dischargeable capacity of the battery, the determination means corresponding to one of the calculated susceptance or conductance of the battery and the temperature obtained by the temperature measurement means The characteristics of the battery are compared with a threshold value, and the dischargeable capacity of the battery is obtained from one of the calculated susceptance or conductance of the battery based on the correspondence map.

本発明では、電池の電気二重層容量を反映した電気化学パラメータとして電池のサセプタンスを測定し、電池のオーム損抵抗、反応抵抗、物質移動抵抗を反映した電気化学パラメータとして電池のコンダクタンスを測定する。   In the present invention, the susceptance of the battery is measured as an electrochemical parameter reflecting the electric double layer capacity of the battery, and the conductance of the battery is measured as an electrochemical parameter reflecting the ohmic loss resistance, reaction resistance, and mass transfer resistance of the battery.

本願の発明者らの研究の結果、電池の電気化学的パラメータの中で、電気二重層容量は、電池の実用残存容量とが所定の関係を持つことが明らかになっており、電気二重層容量、または、電気二重層容量を反映するパラメータを求めることで、該当電池の実用残存容量を検知することが可能である。   As a result of the study by the inventors of the present application, it has been clarified that, among the electrochemical parameters of the battery, the electric double layer capacity has a predetermined relationship with the practical remaining capacity of the battery. Alternatively, by obtaining a parameter reflecting the electric double layer capacity, it is possible to detect the practical remaining capacity of the battery.

また、電池の電気二重層容量は、電池の一時的劣化等に対しても良い相関関係を備えており、電気二重層容量を利用することで、即時的な電池の劣化を、検出する残存容量算出に反映すること可能となる。このため、大電力が入出力可能な電源として真に使用できる電池の実用残存容量を検知することができる。   In addition, the electric double layer capacity of the battery has a good correlation with the temporary deterioration of the battery, etc., and the remaining capacity to detect immediate battery deterioration by using the electric double layer capacity It can be reflected in the calculation. Therefore, it is possible to detect the practical remaining capacity of the battery that can be truly used as a power source capable of inputting and outputting large power.

また、電池使用中のその場における劣化を交流電圧重畳の応答波形解析から導き、電池実用残容量算出に反映させることにより、劣化を生じていても正確な実用残容量算出が可能となる。   In addition, the actual remaining capacity can be accurately calculated even when the battery is deteriorated by deriving the deterioration in the field during use of the battery from the response waveform analysis of the AC voltage superposition and reflecting it in the battery remaining battery capacity calculation.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[電池特性検出装置の概要]
図1は、本発明の実施形態に係る電池の特性検出装置10と、その検出対象である電池40を含む構成の一例を示している。電池40は、電気自動車やハイブリット自動車などの走行用のモータ52に、インバータ50を介して駆動電力を供給する電源として用いられ、ニッケル水素電池等のアルカリ二次電池、鉛蓄電池や、リチウムイオン電池等が用いられる。車両の始動時や加速時には、この二次電池40からの電力がインバータ50を介して走行用モータ52に供給され、車両の減速時には、モータ52が発電機として機能し、得られた電力が二次電池40に回生される。このようにして、二次電池40は充放電を繰り返すこととなる。
[Outline of battery characteristics detector]
FIG. 1 shows an example of a configuration including a battery characteristic detection device 10 according to an embodiment of the present invention and a battery 40 as a detection target. The battery 40 is used as a power source that supplies driving power to a traveling motor 52 such as an electric vehicle or a hybrid vehicle via an inverter 50, and is an alkaline secondary battery such as a nickel hydride battery, a lead storage battery, or a lithium ion battery. Etc. are used. When starting or accelerating the vehicle, the electric power from the secondary battery 40 is supplied to the traveling motor 52 via the inverter 50, and when the vehicle decelerates, the motor 52 functions as a generator, and the obtained electric power is Next battery 40 is regenerated. In this way, the secondary battery 40 is repeatedly charged and discharged.

電池特性検出装置10は、電池40の端子間電圧を検出する電圧検出部14、交流波形を発生するための発振回路(ここでは二相発振回路)30、電池40の端子間に流れる応答電流を検出する応答電流検出部16、電池40の充電放電を切り替えるためのスイッチ34等を備える。また、電池特性判定部20を備え、この判定部20は、応答電流検出部16の測定結果と、二相発振回路30からの正弦波出力[sin]、余弦波出力[cos]を利用し、後述するような方法により電池の電気二重層容量に応じたコンダクタンスG及びサセプタンスBを算出し、電池特性(劣化状態や放電可能容量)を判定する。   The battery characteristic detection device 10 includes a voltage detection unit 14 that detects a voltage between terminals of the battery 40, an oscillation circuit (in this case, a two-phase oscillation circuit) 30 for generating an AC waveform, and a response current that flows between the terminals of the battery 40. A response current detection unit 16 to detect, a switch 34 for switching charging / discharging of the battery 40, and the like are provided. The battery characteristic determination unit 20 includes a measurement result of the response current detection unit 16, a sine wave output [sin] and a cosine wave output [cos] from the two-phase oscillation circuit 30, Conductance G and susceptance B corresponding to the electric double layer capacity of the battery are calculated by a method as described later, and battery characteristics (degraded state and dischargeable capacity) are determined.

なお、電池40に対しては、電極間に例えば電池起電力に相当する所定のバイアス電圧と、上記二相発振回路30からの正弦波電流信号が印加され、応答電流検出部16は、そのときの電池の応答電流を検出する。   A predetermined bias voltage corresponding to, for example, a battery electromotive force and a sine wave current signal from the two-phase oscillation circuit 30 are applied to the battery 40, and the response current detection unit 16 then The battery response current is detected.

図1の例では、特性検出装置10は、さらに記憶部12を備え、この記憶部12には、標準状態(メモリ効果などの一時的特性変化も劣化も生じていない状態)における二次電池40の電気化学的パラメータ(本実施形態においては例えば電池のコンダクタンスG・サセプタンスBなど)が記憶されている。上記特性判定部20は、記憶部12から読み出した標準状態での電気化学的パラメータと、応答電流に基づいて演算して求めた電気化学的パラメータとを比較することで、電池劣化度などを判定することができる。   In the example of FIG. 1, the characteristic detection apparatus 10 further includes a storage unit 12, and the storage unit 12 includes a secondary battery 40 in a standard state (a state in which neither temporary characteristic change nor deterioration such as a memory effect occurs). The electrochemical parameters (in this embodiment, for example, battery conductance G, susceptance B, etc.) are stored. The characteristic determination unit 20 determines the battery deterioration level by comparing the electrochemical parameter in the standard state read from the storage unit 12 with the electrochemical parameter obtained by calculation based on the response current. can do.

また、特性が温度毎に異なることを考慮する場合には、さらに装置10には、図1に示すように二次電池40を測定する温度測定部18を設ける。この場合、記憶部12に予め標準状態で温度毎に測定した電池固有の各パラメータを記憶しておき、温度測定結果に応じた標準状態のパラメータを、特性判定の比較データ(しきい値)として用いることが好適である。   Further, when considering that the characteristics differ for each temperature, the apparatus 10 is further provided with a temperature measuring unit 18 for measuring the secondary battery 40 as shown in FIG. In this case, each parameter specific to the battery measured for each temperature in the standard state is stored in the storage unit 12 in advance, and the standard state parameter corresponding to the temperature measurement result is used as comparison data (threshold value) for characteristic determination. It is preferable to use it.

[電池特性検出の概要]
次に、本実施形態に係る電気二重層容量を利用した電池特性の検出の概要について説明する。
[Outline of battery characteristics detection]
Next, an outline of battery characteristic detection using the electric double layer capacity according to the present embodiment will be described.

(1)本実施形態に係る電池特性検出では、内部抵抗と残存容量の相関からは、直接残存容量を求めない。上述の通り、電池の一般的な残存容量と内部抵抗には相関がある。しかし、この内部抵抗と、実際に利用可能な電池容量との相関性は常に高いわけではなく、本実施形態において、残存容量の算出には内部抵抗を用いない。   (1) In the battery characteristic detection according to the present embodiment, the remaining capacity is not directly obtained from the correlation between the internal resistance and the remaining capacity. As described above, there is a correlation between the general remaining capacity of the battery and the internal resistance. However, the correlation between the internal resistance and the actually usable battery capacity is not always high. In this embodiment, the internal resistance is not used for calculating the remaining capacity.

(2)本実施形態では、内部抵抗と相関がある残存容量ではなく、実用上利用可能な残存容量を検出する。入力、出力変動の大きな電池利用形態を考えた場合、真の意味での残存容量よりも、利用電力の大きさを考慮した残存容量、実際に利用可能な容量を検出できることが有用である。そして、この検出容量を瞬間値として電池制御側へ伝えることが、電池制御の観点で好適である。   (2) In the present embodiment, not the remaining capacity correlated with the internal resistance but the remaining capacity that can be used in practice is detected. When considering a battery usage mode with large input and output fluctuations, it is useful to be able to detect the remaining capacity in consideration of the amount of power used and the actually usable capacity rather than the true remaining capacity. And it is suitable from a viewpoint of battery control to transmit this detected capacity to the battery control side as an instantaneous value.

本発明者は、上記利用電力の大きさを考慮して、実際に利用可能な容量を実用残存容量と定義し、実用残存容量と相関が強い電気化学的パラメータについて検討を行った。その結果、実用残存容量と電気二重層容量とが強い相関を持つことが判明した。特に、アルカリ二次電池においては、上記のように(i)オーム損抵抗、(ii)反応抵抗、(iii)物質移動抵抗、と分類、定義した各抵抗よりも、電池電極の界面情報を強く反映する電気二重層容量が、実用残存容量と強い相関を備え、前述の3つの抵抗測定よりも測定時間が短いことが明らかになった。このため、電気二重層容量を測定することによって、実用残存容量を高速かつ高精度に算出することが可能となる。   The present inventor has defined the practically usable capacity as a practical residual capacity in consideration of the magnitude of the above-described power consumption, and has studied an electrochemical parameter having a strong correlation with the practical residual capacity. As a result, it has been found that the practical residual capacity and the electric double layer capacity have a strong correlation. In particular, in an alkaline secondary battery, the interface information of the battery electrode is stronger than the resistances classified and defined as (i) ohm loss resistance, (ii) reaction resistance, and (iii) mass transfer resistance as described above. It was revealed that the reflected electric double layer capacity has a strong correlation with the practical residual capacity, and the measurement time is shorter than the above three resistance measurements. For this reason, it is possible to calculate the practical residual capacity at high speed and with high accuracy by measuring the electric double layer capacity.

さらに、検討の結果、電気二重層容量は、電池の履歴にも鋭敏に反応することが明らかになった。すなわち、電池電圧のヒステリシスと呼ばれるような充電・放電電圧の不一致がよく知られているが、本発明者の研究の結果、電気二重層容量についても充電と放電で異なるプロフィールを持つことが明らかになった。上述の特許文献2等では、充電・放電の履歴を考慮した補正・重み付けを行っているが、電気二重層容量を測定すれば、用いる特性そのものが充電と放電で異なる為、そのような補正処理等をすることなく、正確な容量推定を行うことが可能となる。   Furthermore, as a result of investigation, it has been clarified that the electric double layer capacity is sensitive to the battery history. In other words, the inconsistency of charging and discharging voltage, which is called battery voltage hysteresis, is well known, but as a result of the inventor's research, it is clear that the electric double layer capacity also has different profiles for charging and discharging. became. In the above-mentioned Patent Document 2 and the like, correction / weighting is performed in consideration of the charge / discharge history. However, if the electric double layer capacity is measured, the characteristics used are different between charge and discharge. It is possible to perform accurate capacity estimation without doing so.

(3)本実施形態では、実用残存容量の算出に際し、電池の劣化度を正確に反映することができる。本発明者の研究により、電池特性が変化(劣化)した場合、電気二重層容量や、オーム損抵抗が変化することが見出された。特に、電気二重層容量は、一時的な劣化に対しても良い相関を持つことが明らかになった。   (3) In the present embodiment, the degree of deterioration of the battery can be accurately reflected when calculating the practical residual capacity. The inventors' research has found that the electric double layer capacity and the ohmic loss resistance change when the battery characteristics change (deteriorate). In particular, it has been revealed that the electric double layer capacity has a good correlation with temporary deterioration.

そこで、実用残存容量の算出に際しては、電気二重層容量を測定し、求めた値を電池固有の電気二重層容量と実用残存容量との相関マップで参照することで、実用残存容量を導く。   Therefore, in calculating the practical residual capacity, the electric double layer capacity is measured, and the obtained value is referred to in the correlation map between the battery specific electric double layer capacity and the practical residual capacity to derive the practical residual capacity.

さらに、電池特性の劣化や変化に起因した電気二重層容量やオーム損抵抗の変化を、例えば、所定しきい値と比較し、しきい値を下回る度合いに応じて劣化度を決定し、実用残存容量の算出において、この劣化度(α)を反映する。このように劣化度を反映すればより信頼性の高い実用残存容量を求めることが可能となる。   Furthermore, changes in electric double layer capacity and ohmic loss resistance due to deterioration and changes in battery characteristics are compared with, for example, a predetermined threshold value, and the degree of deterioration is determined according to the degree below the threshold value. In the calculation of the capacity, this deterioration degree (α) is reflected. Thus, if the degree of deterioration is reflected, it is possible to obtain a more practical remaining capacity with higher reliability.

(4)本実施形態において、二相発振器を利用することで、電池のコンダクタンス成分とサセプタンス成分とを容易に計測することができる。   (4) In this embodiment, by using a two-phase oscillator, the conductance component and the susceptance component of the battery can be easily measured.

微小交流信号を電池へ周波数を変えながら印加し、その応答を解析し電池特性を評価する手法は交流インピーダンス法として広く知られている。ここで、交流インピーダンス法には、FRAやFFTアナライザーを用いる方法が広く使われているが、それらを使用して電池特性を測定するのは学術的計測であり、このような測定装置を電池利用機器に実装して計測することは事実上不可能である。しかし、90度位相の異なる信号を出力する交流信号発振器である二相発振器を用い、その一方の信号を重畳信号兼基準信号、もう他方を位相が90度異なる基準信号とし、電池に交流信号を印加し、その応答電流信号を電圧変換した信号を、上記位相が異なる基準信号別に解析することで、対象電池のコンダクタンス成分とサセプタンス成分を計測することができる。   A technique for applying a minute AC signal to a battery while changing the frequency, analyzing the response, and evaluating the battery characteristics is widely known as an AC impedance method. Here, as the AC impedance method, a method using an FRA or an FFT analyzer is widely used, but it is an academic measurement to measure the battery characteristics using them, and such a measuring device is used for a battery. It is virtually impossible to measure by mounting on equipment. However, a two-phase oscillator, which is an AC signal oscillator that outputs signals that are 90 degrees out of phase, is used, one of which is a superimposed signal and reference signal, and the other is a reference signal that is 90 degrees out of phase. The conductance component and the susceptance component of the target battery can be measured by analyzing a signal obtained by applying and converting the voltage of the response current signal for each reference signal having a different phase.

[電池特性検出原理]
次に、本願発明の実施形態に係る電気二重層容量を利用した電池特性の検出の原理について説明する。
[Battery characteristics detection principle]
Next, the principle of battery characteristic detection using the electric double layer capacity according to the embodiment of the present invention will be described.

(1)微小正弦波重畳法による電気二重層容量と内部抵抗の算出
一般的に電池系の電気等価回路は、図2(a)に示すような抵抗とキャパシタを並列に配した等価回路によって表すことができる。この回路のアドミッタンスY(=G+jB)は複素量であり、このアドミッタンスを持つ等価回路に、振幅E、角周波数ωの正弦波電圧Esinωtを重畳させた場合、流れる電流は、正弦波電圧に対して位相差θを持つ。アドミッタンスY(=G+jB)と重畳正弦波電圧Esinωtにより、流れる電流iは、下記式(3)で表すことができる。
(1) Calculation of electric double layer capacity and internal resistance by micro sine wave superposition method Generally, an electric equivalent circuit of a battery system is represented by an equivalent circuit in which a resistor and a capacitor are arranged in parallel as shown in FIG. be able to. The admittance Y (= G + jB) of this circuit is a complex quantity, and when a sine wave voltage Esin ωt having an amplitude E and an angular frequency ω is superimposed on an equivalent circuit having this admittance, the flowing current is relative to the sine wave voltage. Has a phase difference θ. The current i flowing by the admittance Y (= G + jB) and the superimposed sine wave voltage Esinωt can be expressed by the following equation (3).

i=Asin(ωt+θ) ・・・(3)
ただし、式(3)において、Aは下式(4)、θは下式(5)で表され、また、Gはコンダクタンス、Bはサセプタンスである。

Figure 0004940889
Figure 0004940889
式(3)の電流iに関して複素平面に基づく位相弁別法で解析を行うと、図2(a)の抵抗とキャパシタには等しい正弦電圧がかかり、抵抗に流れる電流は正弦波電圧と同位相である。よって、重畳させる正弦波電圧基準で0〜π区間を積分し、その値を0〜π区間の時間(=周波数の逆数×1/2)で除すると、図2(a)の等価回路のコンダクタンス成分に比例した値が得られる。同様に、キャパシタに流れる電流は、正弦波電圧に対してπ/2位相が進んでいるので、重畳させる正弦波電圧基準で(1/2)π〜(3/2)π区間を積分し、その値を(1/2)π〜(3/2)π区間の時間(=周波数の逆数×1/2)で除すると等価回路のサセプタンス成分に比例した値が得られる。 i = Asin (ωt + θ) (3)
However, in Formula (3), A is represented by the following Formula (4), θ is represented by the following Formula (5), G is conductance, and B is susceptance.
Figure 0004940889
Figure 0004940889
When the current i in equation (3) is analyzed by the phase discrimination method based on the complex plane, an equal sine voltage is applied to the resistor and the capacitor in FIG. 2A, and the current flowing through the resistor is in phase with the sine wave voltage. is there. Therefore, when the 0 to π interval is integrated on the basis of the superimposed sine wave voltage and the value is divided by the time of 0 to π interval (= reciprocal of frequency × 1/2), the conductance of the equivalent circuit of FIG. A value proportional to the component is obtained. Similarly, since the current flowing through the capacitor has a π / 2 phase advance with respect to the sine wave voltage, the (1/2) π to (3/2) π interval is integrated on the basis of the superimposed sine wave voltage, When the value is divided by the time of (1/2) π to (3/2) π interval (= reciprocal of frequency × 1/2), a value proportional to the susceptance component of the equivalent circuit is obtained.

以下、正弦波形を示しながら、具体的に説明する。   Hereinafter, it demonstrates concretely, showing a sine waveform.

(a)抵抗のみの回路へ正弦波を重畳させる場合
重畳振幅[E]、正弦波電圧[Esinωt]、抵抗[R]とすると、抵抗のインピーダンスZRは、ZR=R、抵抗に流れる電流IRは、下式(6)ように表すことができる。

Figure 0004940889
(A) When superimposing amplitude [E], sinusoidal voltage [Esinωt], and resistance [R], the impedance Z R of the resistor is Z R = R, the current flowing through the resistor I R can be expressed as the following formula (6).
Figure 0004940889

正弦波電圧[Esinωt]と抵抗に流れる電流IRは、図3のような関係にある。 The sine wave voltage [Esinωt] and the current I R flowing through the resistor have a relationship as shown in FIG.

先に述べた位相弁別法に従い、コンダクタンス成分、サセプタンス成分は、電流IRの、0〜π、及び、0.5π〜1.5πのそれぞれの区間における積分値を求め、重畳正弦波周波数の逆数の1/2で除することで求めることが可能である。図3から明らかな通り、0〜πの区間の積分値はある有限の数値を得ることが可能であるが、0.5π〜1.5πは正・負の領域が等しく積分値はゼロである。したがって、得られたコンダクタンス成分より、抵抗[R]の算出が可能である。 According phase discrimination method described above, the conductance component, susceptance component of the current I R, 0~π, and obtains the integration value in each section of 0.5Pai~1.5Pai, reciprocal of the superimposed sine wave frequency It is possible to obtain by dividing by 1/2. As is clear from FIG. 3, it is possible to obtain a certain finite numerical value in the interval of 0 to π, but in the range of 0.5π to 1.5π, the positive and negative regions are equal and the integrated value is zero. . Therefore, the resistance [R] can be calculated from the obtained conductance component.

(b)キャパシタのみの回路へ正弦波を重畳させる場合
重畳振幅〔E〕、正弦波電圧〔Esinωt〕、キャパシタ静電容量[C]とすると、キャパシタのインピーダンスZCは、下式(7)

Figure 0004940889
のように定義される。また、キャパシタに流れる電流ICは、下式(8)
Figure 0004940889
で表すことができ、キャパシタのみの回路に正弦波電圧を重畳させると、キャパシタに流れる電流ICは、位相がπ/2ずれた正弦波で表すことができることが解る。 (B) When a sine wave is superimposed on a circuit having only a capacitor When the superimposed amplitude [E], sine wave voltage [Esinωt], and capacitor capacitance [C], the capacitor impedance Z C is expressed by the following equation (7).
Figure 0004940889
Is defined as follows. Further, the current I C flowing through the capacitor is expressed by the following equation (8).
Figure 0004940889
When a sinusoidal voltage is superimposed on a circuit having only a capacitor, it can be seen that the current I C flowing through the capacitor can be represented by a sinusoidal wave whose phase is shifted by π / 2.

このような関係を図に表すと図4のように描くことができる。   Such a relationship can be depicted as shown in FIG.

上記(a)と同様、位相弁別法を用い、コンダクタンス成分、サセプタンス成分は、電流ICの0〜π、及び、0.5π〜1.5πのそれぞれの区間における積分値を求め、重畳正弦波周波数の逆数の1/2で除することで求めることが可能である。図4から明らかな通り、0〜πの区間は正・負の領域が等しく積分値はゼロである。一方、0.5π〜1.5πの区間の積分値はある有限の数値を得ることが可能である。したがって、得られたサセプタンス成分より、キャパシタ静電容量[C]の算出が可能である。 Similarly to the above (a), the phase discrimination method is used, and the conductance component and the susceptance component are obtained as integral values in the sections 0 to π and 0.5π to 1.5π of the current I C , and the superimposed sine wave It can be obtained by dividing by 1/2 of the reciprocal of the frequency. As is clear from FIG. 4, the positive and negative areas are equal in the interval from 0 to π, and the integral value is zero. On the other hand, it is possible to obtain a certain finite numerical value for the integral value in the interval from 0.5π to 1.5π. Therefore, the capacitor capacitance [C] can be calculated from the obtained susceptance component.

(c)抵抗・キャパシタ並列回路へ正弦波を重畳させる場合
重畳振幅[E]、正弦波電圧[Esinωt]、抵抗[R]、キャパシタ静電容量[C]とすると、(a)、(b)より、抵抗に流れる電流IRは、式(9)、キャパシタに流れる電流ICは式(10)のように定義でき、回路全体に流れる電流I0は、式(11)の通りに表すことができる。

Figure 0004940889
Figure 0004940889
Figure 0004940889
(C) When a sine wave is superimposed on a resistor-capacitor parallel circuit When superposition amplitude [E], sine wave voltage [Esinωt], resistance [R], and capacitor capacitance [C] are assumed, (a), (b) Thus, the current I R flowing through the resistor can be defined as in Equation (9), the current I C flowing through the capacitor can be defined as in Equation (10), and the current I 0 flowing through the entire circuit can be expressed as in Equation (11). Can do.
Figure 0004940889
Figure 0004940889
Figure 0004940889

式(11)より、図2(b)に示されるような抵抗・キャパシタ並列回路に正弦波電圧を重畳させた場合に流れる電流は、(a)、(b)で示した抵抗・キャパシタ個々に流れる電流IR・ICの合成電流であることが解る。このような関係は、図5のように描くことができる。 From equation (11), the current that flows when a sinusoidal voltage is superimposed on the resistor-capacitor parallel circuit as shown in FIG. 2 (b) is the resistance / capacitor shown in (a) and (b). It can be seen that this is a combined current of the flowing currents I R and I C. Such a relationship can be drawn as shown in FIG.

(a)、(b)と同様、位相弁別法を用い、コンダクタンス成分は電流ICの0〜πの区間、サセプタンス成分は電流ICの0.5π〜1.5πのそれぞれの区間における積分値を求め、重畳正弦波周波数の逆数の1/2で除することで求めることが可能である。 Similarly to (a) and (b), the phase discrimination method is used, the conductance component is the integrated value in the interval of 0 to π of the current I C , and the susceptance component is the integral value in each of the intervals of 0.5 π to 1.5π of the current I C. Can be obtained by dividing by a half of the reciprocal of the superimposed sine wave frequency.

一方、(a)、(b)とは異なり、0〜πの区間、0.5π〜1.5πの区間ともに積分値はゼロでないため、それぞれで得られた値に基づいて、コンダクタンス成分より抵抗[R]を算出し、サセプタンス成分よりキャパシタ静電容量[C]を算出することが可能である。   On the other hand, unlike (a) and (b), since the integral value is not zero in the 0 to π interval and 0.5 π to 1.5π interval, the resistance is determined by the conductance component based on the obtained values. [R] can be calculated, and the capacitor capacitance [C] can be calculated from the susceptance component.

(d)重畳正弦波の周波数
電池反応は一般的に図2(b)に示すようなRandles型等価回路で近似することができる。ここで、図2(b)における電解液・電子伝導性由来の抵抗[r]、電池反応・物質移動速度由来の抵抗[R]、電極−電解液界面状態を反映する電気二重層の静電容量[C]と定義すると、それぞれのインピーダンスZr、ZR、ZCは下記式(12)〜(14)以下のように定義できる。
r=r ・・・(12)
R=R ・・・(13)

Figure 0004940889
(D) Frequency of superimposed sine wave The battery reaction can generally be approximated by a Randles type equivalent circuit as shown in FIG. Here, the resistance [r] derived from the electrolyte / electron conductivity in FIG. 2B, the resistance [R] derived from the battery reaction / mass transfer rate, and the electrostatic property of the electric double layer reflecting the electrode-electrolyte interface state. defining a capacitance [C], each of the impedance Z r, Z R, Z C is the following formula (12) to (14) can be defined as follows.
Z r = r (12)
Z R = R (13)
Figure 0004940889

したがって、回路全体の合成インピーダンスZは以下の式(15)のように表すことができる。

Figure 0004940889
Therefore, the synthetic impedance Z of the entire circuit can be expressed as the following equation (15).
Figure 0004940889

ここで、ω→∞では、Z≒rとなり、ω→0では、Z≒r+Rであり、周波数によって合成インピーダンスが変化することが容易に解る。   Here, when ω → ∞, Z≈r, and when ω → 0, Z≈r + R, and it can be easily understood that the combined impedance changes depending on the frequency.

さらに、電池反応・物質移動速度由来の抵抗[R]をより厳密に、電池反応由来の抵抗[RCt]、物質移動由来の抵抗[W]と細分化し、それぞれのインピーダンスZRct、ZWは下記式(16)、(17)のように表すことができる(ZWは、ワールブルグインピーダンスとよばれ、以下のような理論式が導かれている)。
Rct=Rct ・・・(16)

Figure 0004940889
Furthermore, the resistance [R] derived from the battery reaction / mass transfer rate is more strictly divided into the resistance [R Ct ] derived from the battery reaction and the resistance [W] derived from the mass transfer, and the respective impedances Z Rct and Z W are The following equations (16) and (17) can be expressed (Z W is called Warburg impedance, and the following theoretical equation is derived).
Z Rct = R ct (16)
Figure 0004940889

また、式(17)中のσは、下記式(18)

Figure 0004940889
で表される。なお、上記式において、R:気体定数、T:絶対温度、S:反応面積、DO:酸化体の拡散定数、DR:還元体の拡散定数、cO:酸化体の表面濃度、cR:還元体の表面濃度である。 Also, σ in formula (17) is the following formula (18)
Figure 0004940889
It is represented by In the above formula, R: gas constant, T: absolute temperature, S: reaction area, D O : oxidant diffusion constant, D R : reductant diffusion constant, c O : oxidant surface concentration, c R : The surface concentration of the reductant.

式(17)より、物質移動由来のワールブルグインピーダンスはω→0では発散傾向で、ω→∞ではゼロに収束することが解る。したがって、角周波数を任意に変化させて計測を実施することで、より解析に適した応答波形を得ることでき、特にコンダクタンス成分について周波数を変えることで、IR損、反応抵抗、物質移動抵抗等を個々に特定することが可能である。   From Equation (17), it can be seen that the Warburg impedance derived from mass transfer tends to diverge when ω → 0 and converges to zero when ω → ∞. Therefore, it is possible to obtain a response waveform that is more suitable for analysis by performing measurement by arbitrarily changing the angular frequency, and in particular, by changing the frequency for the conductance component, IR loss, reaction resistance, mass transfer resistance, etc. It can be specified individually.

(2)二相発振回路の利用
上記(1)に示したような、正弦波の重畳、及び、その後の位相弁別法による波形解析には、二相発振回路を利用することができる。図6は、この二相発振回路の一例であり、この回路は、周波数は等しく、かつ互いに位相がπ/2だけ異なる正弦波信号[sin]と、余弦波信号[cos]を発生する。
(2) Utilization of two-phase oscillation circuit A two-phase oscillation circuit can be utilized for waveform analysis by the superposition of a sine wave and the subsequent phase discrimination method as shown in (1) above. FIG. 6 shows an example of the two-phase oscillation circuit. This circuit generates a sine wave signal [sin] and a cosine wave signal [cos] having the same frequency and different phases by π / 2.

図6の例では、増幅回路A1の出力が、増幅回路A2に供給され、増幅回路A2の出力が増幅回路A3に供給され、この増幅回路A3の出力が、増幅回路A1の入力側に供給されている。   In the example of FIG. 6, the output of the amplifier circuit A1 is supplied to the amplifier circuit A2, the output of the amplifier circuit A2 is supplied to the amplifier circuit A3, and the output of this amplifier circuit A3 is supplied to the input side of the amplifier circuit A1. ing.

増幅回路A1及びA2において、その出力は帰還抵抗を経て自己の一方の入力に帰還され、各増幅回路A1、A2の非帰還側の入力には、可変抵抗(図中、破線で示す)及びキャパシタが設けられている。   In the amplifier circuits A1 and A2, the output is fed back to one of its inputs through a feedback resistor, and a variable resistor (shown by a broken line in the figure) and a capacitor are input to the non-feedback side of each amplifier circuit A1 and A2. Is provided.

また、増幅回路A3の出力は、帰還抵抗及びキャパシタの並列回路を介して自己の一方の入力側に接続されており(帰還されている)、上記のように増幅回路A1の帰還側及び非帰還側の入力側に供給されている。また、この増幅回路A3の帰還側の入力には可変抵抗が設けられ、一方、増幅回路A3の非帰還側の入力には、グランドとの間に設けられた抵抗が接続され、基準電圧が供給されている。   The output of the amplifier circuit A3 is connected (feedback) to one input side of the amplifier circuit A3 through a parallel circuit of a feedback resistor and a capacitor, and as described above, the feedback side and the non-feedback of the amplifier circuit A1. Is supplied to the input side. Further, a variable resistor is provided at the feedback side input of the amplifier circuit A3, while a resistor provided between the ground and the ground is connected to the non-feedback side input of the amplifier circuit A3. Has been.

各増幅回路A1,A2,A3の入力側に設けられた可変抵抗は、受光量に応じて抵抗の変化する受光素子によって構成され、この受光素子と、制御信号に応じた電流を流して発光する発光素子とでフォトカプラP1,P2,P3を構成している。よって、可変抵抗の抵抗値は、いずれも発光素子の発光輝度、即ち、制御信号に応じて制御され、各可変抵抗値を変化させることで、この発振回路の角周波数ωを変化させることが可能となっている。   The variable resistor provided on the input side of each amplifier circuit A1, A2, A3 is composed of a light receiving element whose resistance changes according to the amount of received light, and emits light by passing a current according to this light receiving element and a control signal. Photocouplers P1, P2, and P3 are constituted by the light emitting elements. Therefore, the resistance value of the variable resistor is controlled according to the light emission luminance of the light emitting element, that is, the control signal, and the angular frequency ω of the oscillation circuit can be changed by changing each variable resistance value. It has become.

また、図6の発振回路では、増幅回路A1,A2,A3の入力側の可変抵抗の抵抗値を互いに等しくすることで、増幅回路A2の出力側からの正弦波信号[sin]と、増幅回路A1の出力側からの余弦波信号[cos]とが、等しい周波数に制御されている。   Further, in the oscillation circuit of FIG. 6, the sine wave signal [sin] from the output side of the amplifier circuit A2 and the amplifier circuit are obtained by making the resistance values of the variable resistors on the input side of the amplifier circuits A1, A2 and A3 equal to each other. The cosine wave signal [cos] from the output side of A1 is controlled to the same frequency.

以上のような二相発振回路からの正弦波信号[sin]は、対象電池の電極間に重畳する正弦波として、また、図1の電池特性判定部20での位相弁別における0〜πの区間の特定用に用いる。さらに、余弦波信号[cos]は、図1の電池特性判定部20での位相弁別における0.5π〜1.5πの区間の特定に用いる。   The sine wave signal [sin] from the two-phase oscillation circuit as described above is a sine wave superimposed between the electrodes of the target battery, and a section of 0 to π in the phase discrimination in the battery characteristic determination unit 20 of FIG. Used to identify Further, the cosine wave signal [cos] is used to specify a section of 0.5π to 1.5π in the phase discrimination in the battery characteristic determination unit 20 of FIG.

なお、実際に電池へ正弦波を出力する場合は、電池の起電力に相当する電圧EBに出力[sin]を重畳させるように、バイアス電圧をポテンショスタットにより設定した上で正弦波を重畳させる。 In the case of outputting a sine wave, so as to superimpose the output [sin] on voltage E B corresponding to the electromotive force of the battery, it is superimposed sine wave bias voltage on which is set by a potentiostat actually to the battery .

(3)実電池における状態推定
先に述べた通り、電池は一般的に、図2(b)に示すようなRandles型等価回路で近似することができる。本発明者はこれまでの検討を通じて、電池に状態変化が生じる場合、電池電極における内部物質移動速度の変化によることが多いという知見を得ている(特許文献3参照)。
(3) State Estimation in Real Battery As described above, a battery can be approximated by a Randles type equivalent circuit as shown in FIG. Through the above investigations, the present inventor has obtained the knowledge that when a state change occurs in a battery, it often depends on a change in the internal mass transfer rate in the battery electrode (see Patent Document 3).

また、電池が長期保管等により電極表面の活性度が落ちる場合、電池電極−電解液界面の電気二重層容量が一時的に変化することが多いという知見も得ている。   Moreover, when the activity of the electrode surface falls due to long-term storage or the like of the battery, it has been found that the electric double layer capacity at the battery electrode-electrolyte interface often changes temporarily.

さらに本発明者の研究の結果、電池特性が著しく低下する場合、電解液・電子伝導性由来の抵抗が大きく上昇することが多いことや、特定の電池系においては、電池残存容量(SOC)と電気二重層容量とが強い相関を持つことが明らかになった。   Furthermore, as a result of the inventor's research, when the battery characteristics are remarkably deteriorated, the resistance derived from the electrolytic solution / electron conductivity often increases greatly, and in a specific battery system, the battery remaining capacity (SOC) and It was revealed that the electric double layer capacity has a strong correlation.

以上のように、電池特性は、電池を等価回路化した場合、その電気素子の物理値と強い相関をもつため、等価回路的な電気素子の物理値を特定することで、電池特性を推定することが可能になる。   As described above, since the battery characteristics have a strong correlation with the physical value of the electric element when the battery is converted into an equivalent circuit, the battery characteristic is estimated by specifying the physical value of the electric element equivalent to the equivalent circuit. It becomes possible.

本検討法を用いると、比較的単純かつ安価な二相発振回路を利用し、特定周波数、または、ある範囲の周波数の正弦波を対象電池に重畳することにより、対象電池におけるコンダクタンス成分やサセプタンス成分を求めることが可能になり、電池特性を推定することが可能である。   Using this study method, a relatively simple and inexpensive two-phase oscillation circuit is used, and a conductance component or susceptance component in the target battery is superimposed on the target battery by superimposing a specific frequency or a sine wave of a certain range of frequencies on the target battery. Can be obtained, and the battery characteristics can be estimated.

[コンダクタンスGと周波数、電池状態(SOC)との関係]
物質移動速度由来の抵抗と電池SOCとの間には、図7のような関係がある。図7から理解できるように、高SOC域と低SOC域における物質移動速度由来の抵抗は非常に近接しているため、物質移動速度由来の抵抗のみでSOCを判断することは正確性に欠ける。
[Relationship between conductance G, frequency, and battery state (SOC)]
There is a relationship as shown in FIG. 7 between the resistance derived from the mass transfer rate and the battery SOC. As can be understood from FIG. 7, since the resistance derived from the mass transfer rate in the high SOC region and the low SOC region are very close to each other, it is not accurate to determine the SOC only by the resistance derived from the mass transfer rate.

一方で、物質移動速度由来の抵抗とOCV(開回路電圧)との間にも、図8に示すような関係があり、物質移動速度由来の抵抗値が近い低SOCと高SOCの区別に関しては、その抵抗値に対応する電池のOCVを参照することで判別が可能である。   On the other hand, there is a relationship as shown in FIG. 8 between the resistance derived from the mass transfer rate and the OCV (open circuit voltage). Regarding the distinction between the low SOC and the high SOC where the resistance value derived from the mass transfer rate is close. This can be determined by referring to the OCV of the battery corresponding to the resistance value.

ここで、上述の通り、電池反応は図2(b)のRandles型等価回路で近似することができる。この等価回路において、電解液・電子伝導性由来の抵抗[r]、電池反応・物質移動速度由来の抵抗[R]、電極−電解液界面電気二重層容量由来の静電容量[C]の各インピーダンスZr、ZR、Zcは、上述の式(12)、式(13)、式(14)で示される。 Here, as described above, the battery reaction can be approximated by the Randles equivalent circuit of FIG. In this equivalent circuit, each of the resistance [r] derived from the electrolyte / electron conductivity, the resistance [R] derived from the battery reaction / mass transfer rate, and the capacitance [C] derived from the electrode-electrolyte interface electric double layer capacitance The impedances Z r , Z R , and Z c are expressed by the above formula (12), formula (13), and formula (14).

また、この等価回路全体の合成インピーダンスZは、上述の通り式(15)で表すことができ、周波数ωの大きさに応じて合成インピーダンスZに占める電解液・電子伝導性由来の抵抗r、電池反応・物質移動速度由来の抵抗Rが変化することが理解できる。即ち、高い周波数域では、電解液・電子伝導性由来の抵抗[r]によってコンダクタンスGが決定され、周波数が下がるに従い、電池反応・物質移動速度由来のコンダクタンス成分の寄与が増していくことが予想される。   Further, the synthetic impedance Z of the entire equivalent circuit can be expressed by the equation (15) as described above, and the resistance r derived from the electrolyte / electron conductivity occupying the synthetic impedance Z according to the magnitude of the frequency ω, the battery It can be understood that the resistance R derived from the reaction / mass transfer rate changes. That is, in the high frequency range, the conductance G is determined by the resistance [r] derived from the electrolytic solution / electron conductivity, and it is expected that the contribution of the conductance component derived from the battery reaction / mass transfer rate increases as the frequency decreases. Is done.

実際に、上述の検出原理を利用して周波数・電池SOC別にコンダクタンスGを求めたところ、図9の結果を得ることができた。先の電池SOCと相関を持つ物質移動速度由来の抵抗Rとは、この周波数とコンダクタンスGの関係図における比較的低い周波数域のコンダクタンスGに相当する。図9から、比較的低い周波数域では電池SOC別にコンダクタンスGに明確な差異が生じていることが解り、この低周波数域にコンダクタンスGが物質移動速度由来の抵抗を反映していることが推定できる。   Actually, when the conductance G was obtained for each frequency and battery SOC using the detection principle described above, the result of FIG. 9 was obtained. The resistance R derived from the mass transfer speed having a correlation with the previous battery SOC corresponds to the conductance G in a relatively low frequency range in the relationship diagram between the frequency and the conductance G. From FIG. 9, it can be seen that there is a clear difference in the conductance G for each battery SOC in a relatively low frequency range, and it can be estimated that the conductance G reflects the resistance derived from the mass transfer rate in this low frequency range. .

なお、測定条件が比較的高い周波数域などであってコンダクタンスGが多少近接し、SOC推定精度の低下が懸念させる場合は、図8に示すようなOCV特性を併用することで、SOC推定精度の低下を防止することが可能である。また、上記のように、コンダクタンスGは、低周波数で優位差を発揮するため、高速でのSOC演算にはあまり適していない。よって、例えば、SOC推定精度が低いと予測される高速SOC算出を強いられる場合には、後述するようにサセプタンスBとSOCとの関係を併用してSOCを推定することも可能である。   When the measurement conditions are in a relatively high frequency range, etc., and the conductance G is somewhat close, and there is a concern that the SOC estimation accuracy is degraded, the OCV characteristics as shown in FIG. It is possible to prevent the decrease. Further, as described above, the conductance G exhibits a superior difference at a low frequency, and is not very suitable for high-speed SOC calculation. Therefore, for example, when high-speed SOC calculation that is predicted to have low SOC estimation accuracy is forced, it is also possible to estimate the SOC by using the relationship between susceptance B and SOC as will be described later.

以上のように電池のコンダクタンス成分を算出することにより、電池のSOCを推定することができる。   As described above, the SOC of the battery can be estimated by calculating the conductance component of the battery.

[サセプタンスBと周波数、電池状態(SOC)との関係]
アルカリ二次電池において、OCVとSOCは図10のようなヒステリシスを持つ関係にあることがよく知られている。このため、単純にOCVのみからSOCを読み解くことは困難である。
[Relationship between susceptance B, frequency, and battery state (SOC)]
In alkaline secondary batteries, it is well known that OCV and SOC are in a relationship having hysteresis as shown in FIG. For this reason, it is difficult to simply read the SOC from only the OCV.

一方、本発明者らの研究により、電池の電気二重層容量とSOCとの間にも図11のようなヒステリシスを持つ関係があることが明らかになった。ここで、電池の電気二重層容量と電池のサセプタンスとは比例・相関関係を有する。したがって、上記OCVとSOC、電気二重層容量を反映するサセプタンスとSOCとの二つの関係を併用することで、電池のSOCを正確に推定することが可能である。   On the other hand, the present inventors' research has revealed that there is a hysteresis as shown in FIG. 11 between the electric double layer capacity of the battery and the SOC. Here, the electric double layer capacity of the battery and the susceptance of the battery have a proportional / correlation relationship. Therefore, it is possible to accurately estimate the SOC of the battery by using the two relations of the OCV and SOC and the susceptance and SOC reflecting the electric double layer capacity together.

実際に、上述の検出原理を利用して電池SOCを放電設定にて変化させ、複数の周波数点にて計測したサセプタンスBを図12に示す。   FIG. 12 shows the susceptance B actually measured at a plurality of frequency points by changing the battery SOC at the discharge setting using the detection principle described above.

ここで、実際にSOCを求める場合は、まず、上述のような正弦波重畳及び位相弁別による波形解析によってコンダクタンスG・サセプタンスBを求める。得られたコンダクタンスG・サセプタンスBの中から所定周波数の正弦波を重畳したときに得られたコンダクタンスG・サセプタンスBと、標準状態の電池のコンダクタンスG・サセプタンスBとを用いて電池の劣化度αを決定する。   Here, when actually obtaining the SOC, first, the conductance G and the susceptance B are obtained by the waveform analysis based on the sine wave superposition and the phase discrimination as described above. The degree of deterioration α of the battery using the conductance G · susceptance B obtained by superimposing a sine wave of a predetermined frequency from the obtained conductance G · susceptance B and the conductance G · susceptance B of the battery in the standard state. To decide.

その後、以下の関係式(19)を用いて仮SOCを決定する。この式(19)は前述の図10、図11に示すようなヒステリシスを持つ関係を利用するため、2つの解を導くことがある。なお、式(19)中、右辺は、それぞれ、OCV(Bマップで表現)との関係から求まるSOC(図10の場合)、サセプタンス(Bマップで表現)との関係から求まるSOC(図11の場合)を意味している。
仮SOC= SOC − Bマップ ・・・(19)
Thereafter, the provisional SOC is determined using the following relational expression (19). Since this equation (19) uses the relationship having hysteresis as shown in FIGS. 10 and 11, it may lead to two solutions. In the equation (19), the right side indicates the SOC (in the case of FIG. 10) obtained from the relationship with the OCV (expressed in the B map) and the SOC (in FIG. 11) obtained from the relationship with the susceptance (expressed in the B map). Means).
Provisional SOC = SOC-B map (19)

式(19)を用いて、まず、OCVに対して2つのSOC値を求め、このSOC値を一時記憶する。次に、サセプタンスBを測定し、上記式(19)基づき、測定したサセプタンスBに基づいて、同様に2つのSOC値を求める(1つの場合もある)。このサセプタンスに応じて得られたSOC値と、先に求めて一時記憶しておいたOCVに応じて得られた2つのSOC値とを比較することで、最終的なSOCを決定する。   Using Equation (19), first, two SOC values are obtained for the OCV, and these SOC values are temporarily stored. Next, the susceptance B is measured, and two SOC values are similarly obtained based on the measured susceptance B based on the above equation (19) (there may be one). The final SOC is determined by comparing the SOC value obtained in accordance with the susceptance and the two SOC values obtained in accordance with the OCV previously obtained and temporarily stored.

概念的に説明すると、図10においてOCVが「A」の値の場合、対応するSOCは20%(充電設定)、90%(放電設定)のいずれかという、状況としては極めて異なる判断結果となる。しかし、図11の例では、サセプタンスBとして値「C」を得た場合(電気二重層容量値では「C’」)、その測定条件が「充電」か「放電」か明確であれば、SOCは、上記OCVが「A」値の時のSOC20%(充電設定)、90%(放電設定)のうち、20%(充電設定)であると特定できる。また、測定条件が「充電」か「放電」か不明であっても、サセプタンス値「C」に相当する電気二重層容量値「C’」について、図11の関係からは、SOC25%と60%とが読み取れ、先に一時記憶したSOC20%と、90%のうち、20%に値の近い、SOC25%を選択し、これをSOCと決定することができる。SOCとOCVとは関係式の傾きが小さいため、OCVのわずかの差からSOCの読み取り値の誤差は大きいが、SOCとサセプタンスと関係式の傾きはOCVの場合と比較して大きく、SOCの読み取り誤差は、小さくてすむ。よって、測定条件が不明の場合には、OCVとSOCとの関係から概ねのSOC値を求め、サセプタンス値に基づいてSOCを決定する。   To explain conceptually, when OCV is a value of “A” in FIG. 10, the corresponding SOC is either 20% (charge setting) or 90% (discharge setting), resulting in very different judgment results. . However, in the example of FIG. 11, when the value “C” is obtained as the susceptance B (“C ′” in the electric double layer capacitance value), if the measurement condition is clear “charge” or “discharge”, the SOC Can be specified as 20% (charging setting) of SOC 20% (charging setting) and 90% (discharging setting) when the OCV is “A” value. Further, even if it is unknown whether the measurement condition is “charge” or “discharge”, the electric double layer capacity value “C ′” corresponding to the susceptance value “C” is determined from the relationship of FIG. Can be selected, and the SOC of 25%, which is close to the value of 20%, is selected from the 20% SOC and the 90% temporarily stored previously, and this can be determined as the SOC. Since the slope of the relational expression between SOC and OCV is small, the error in the SOC reading value is large due to a slight difference in OCV, but the slope of the SOC, susceptance and relational expression is larger than that in the case of OCV, and the SOC reading The error can be small. Therefore, when the measurement condition is unknown, an approximate SOC value is obtained from the relationship between the OCV and the SOC, and the SOC is determined based on the susceptance value.

以上のような手法により、比較的高周波数域においてサセプタンスBを求めることで、その値から電池SOCを精度良くかつ高速に推定することが可能になる。さらに劣化度αより、対象電池の劣化進行度が導き出せ、初期電池特性からのかい離が把握できる。   By obtaining the susceptance B in a relatively high frequency range by the method as described above, the battery SOC can be estimated with high accuracy and high speed from the value. Furthermore, the degree of deterioration of the target battery can be derived from the degree of deterioration α, and the deviation from the initial battery characteristics can be grasped.

[電池特性検出手順]
次に、図1に示す装置を用い、以上において概説した電池特性検出を実行する手順の一例を図13〜図15を参照してより詳しく説明する。
[Battery characteristics detection procedure]
Next, an example of a procedure for executing the battery characteristic detection outlined above using the apparatus shown in FIG. 1 will be described in more detail with reference to FIGS.

まず、図1に示す記憶部12には、予め標準状態における測定対象電池の所定周波数、所定温度における判定しきい値として利用可能なサセプタンスB値などを格納しておく。   First, the storage unit 12 illustrated in FIG. 1 stores in advance a susceptance B value that can be used as a determination threshold value at a predetermined frequency and a predetermined temperature of a measurement target battery in a standard state.

制御部などの命令により、図13に示すように、状態検知が開始すると(S1)、判定部20は、まず、特性判定部20内などに設けた劣化履歴カウンタのカウント値を確認する(S2)。この劣化履歴カウンタには、以前に該当電池に対して一時的特性変化が判定されていたかどうかが記憶されており、カウンタ値が1未満(<1)の場合、メモリ効果等の一時的特性変化の発生履歴なし(劣化履歴なし)と判断し(S3)、履歴なしの状態検知に移行する(S4)。一方、カウンタ値が1以上(1≦)の場合には、一時的特性変化の発生履歴あり(劣化履歴あり)と判断し(S5)、履歴ありの状態検知に移行する(S6)。   As shown in FIG. 13, when the state detection is started by an instruction from the control unit or the like (S1), the determination unit 20 first checks the count value of the deterioration history counter provided in the characteristic determination unit 20 or the like (S2). ). This deterioration history counter stores whether or not a temporary characteristic change has been previously determined for the corresponding battery. If the counter value is less than 1 (<1), a temporary characteristic change such as a memory effect is stored. It is determined that there is no occurrence history (no degradation history) (S3), and the process proceeds to state detection without history (S4). On the other hand, when the counter value is 1 or more (1 ≦), it is determined that there is a history of occurrence of a temporary characteristic change (deterioration history exists) (S5), and the state shifts to state detection with history (S6).

履歴なしと判断された場合、図14に示す履歴なし状態での検知を開始する(S10)。まず、温度測定部18によって電池温度を計測し、また電圧検出部14によって開放回路電圧OCV(EO)を計測し、直前の電池の利用状態が充電(CS)か放電(DS)かを特定する(S11)。なお、記憶部12に予め記憶され、以後の処理において用いられる比較用データ(各種しきい値)及び所定電気パラメータとSOCとの対応マップは、充電か放電かの特定結果に応じて決定される。 If it is determined that there is no history, the detection in the no history state shown in FIG. 14 is started (S10). First, the battery temperature is measured by the temperature measurement unit 18 and the open circuit voltage OCV (E O ) is measured by the voltage detection unit 14 to specify whether the last battery use state is charge (CS) or discharge (DS). (S11). Note that the comparison data (various threshold values) stored in advance in the storage unit 12 and used in the subsequent processing and the correspondence map between the predetermined electrical parameter and the SOC are determined according to the specific result of charging or discharging. .

次に、予め設定された高周波数fH、低周波数fLの正弦波をそれぞれ電池の起電力EOに相当するバイアス電圧に重畳し、電池の電極間に印加する(S12)。特性判定部20は、この際、応答電流検出部16から得られる応答電流iを記憶する。 Next, a preset sine wave of high frequency f H and low frequency f L is superimposed on a bias voltage corresponding to the electromotive force E O of the battery and applied between the electrodes of the battery (S12). At this time, the characteristic determination unit 20 stores the response current i obtained from the response current detection unit 16.

所定の周波数(fH、fL)について、それぞれ所定期間の正弦波重畳が終了すると(S13)、特性判定部20は、各重畳期間に得られた応答電流iから各周波数fH、fL重畳時のコンダクタンスG(GH、GL)及びサセプタンスB(BH、BL)を算出する(S14)。 When the sine wave superimposition for a predetermined period ends for each of the predetermined frequencies (f H , f L ) (S13), the characteristic determination unit 20 determines each frequency f H , f L from the response current i obtained in each superimposition period. Conductance G (G H , G L ) and susceptance B (B H , B L ) at the time of superposition are calculated (S14).

コンダクタンスG及びサセプタンスBの算出に際しては、二相発振回路30からの正弦波信号と、余弦波信号を用いた位相弁別法を用いる。具体的には、コンダクタンスGは応答電流ICの0〜πの区間(正弦波の正の区間)における積分値を求め、サセプタンスBは、電流ICの0.5π〜1.5πの区間(余弦波の正の区間)における積分値から求め、各積分値を重畳正弦波周波数ωの逆数の1/2で除することで求める。 In calculating the conductance G and the susceptance B, a phase discrimination method using a sine wave signal from the two-phase oscillation circuit 30 and a cosine wave signal is used. Specifically, the conductance G obtains an integral value in a 0 to π interval (positive interval of a sine wave) of the response current I C , and the susceptance B is an interval (0.5π to 1.5π of the current I C ( It is obtained from the integral value in the positive section of the cosine wave) and is obtained by dividing each integral value by 1/2 of the reciprocal of the superimposed sine wave frequency ω.

次に、求めたコンダクタンスG(GH、GL)及びサセプタンスB(BH、BL)のいずれかと対応するしきい値とを比較する(S15)。図14の例では、上述のように高周波数側でSOC検出精度の高い高周波数側のサセプタンスBHを採用し、記憶部12に格納してあった対応する温度における電池の標準状態、同じ周波数のサセプタンスBH(標準値)を読み出し、この標準値をしきい値として、算出された高周波数側のサセプタンスBHと比較する。 Next, either the calculated conductance G (G H , G L ) or susceptance B (B H , B L ) is compared with the corresponding threshold value (S15). In the example of FIG. 14, as described above, the susceptance B H on the high frequency side with high SOC detection accuracy is adopted, and the standard state of the battery at the corresponding temperature stored in the storage unit 12, the same frequency Susceptance B H (standard value) is read out and compared with the calculated susceptance B H on the high frequency side using this standard value as a threshold value.

特性判定部20による高周波数側のサセプタンスBHとしきい値とを比較した結果、サセプタンスBHが、しきい値未満でない、つまりしきい値以上と判断した場合(No)、該特性判定部20は、さらにメモリ効果等の一時的劣化の発生なしと判定し、履歴カウンタ値は変更しない(+0とする)。また、ステップ14で求めたコンダクタンスG(GH、GL)又はサセプタンスB(BH、BL)を利用し、予め記憶部12に記憶しておいた図9,図12のようなG−SOCマップ又はB−SOCマップに基づいてSOCを決定し(S16)、一連の状態検知処理を終了する。ここで、SOC決定には、コンダクタンスG及びサセプタンスBのいずれも利用することができるが、コンダクタンスGの場合には、低周波数側のコンダクタンスGL、サセプタンスBの場合には高周波数側のサセプタンスBHを用い、対応するマップを参照することで精度良くSOCを検出することができる。 As a result of comparing the susceptance B H on the high frequency side with the threshold value by the characteristic determination unit 20, when it is determined that the susceptance B H is not less than the threshold value, that is, not less than the threshold value (No), the characteristic determination unit 20 Further, it is determined that there is no temporary deterioration such as a memory effect, and the history counter value is not changed (set to +0). Further, using the conductance G (G H , G L ) or the susceptance B (B H , B L ) obtained in step 14, G− as shown in FIG. 9 and FIG. The SOC is determined based on the SOC map or the B-SOC map (S16), and the series of state detection processing ends. Here, both the conductance G and the susceptance B can be used for determining the SOC. In the case of the conductance G, the conductance G L on the low frequency side, and in the case of the susceptance B, the susceptance B on the high frequency side. The SOC can be detected with high accuracy by using H and referring to the corresponding map.

一方、ステップ15において、高周波数側のサセプタンスBHが、しきい値未満と判断された場合(Yes)、特性判定部20は、一時的劣化の発生と判定し、履歴カウンタ値を1増やし(+1)(S17)、状態検知処理を終了する。なお、一時的特性変化の発生の有無については、必要に応じて使用者に対して表示しても良い。一時的特性変化が発生していない場合には、例えば、そのまま電池の通常動作に移行することを許可することができ、一時的特性変化が発生していると判定された場合には、例えば、自動的にメモリ効果解消のために深放電等のリフレッシュステップに移行し、一時的特性変化を解消しても良い。 On the other hand, if it is determined in step 15 that the susceptance B H on the high frequency side is less than the threshold value (Yes), the characteristic determination unit 20 determines that temporary deterioration has occurred and increases the history counter value by 1 ( +1) (S17), the state detection process is terminated. Note that the presence / absence of occurrence of a temporary characteristic change may be displayed to the user as necessary. When the temporary characteristic change has not occurred, for example, it can be allowed to shift to the normal operation of the battery as it is, and when it is determined that the temporary characteristic change has occurred, for example, In order to eliminate the memory effect automatically, a transition to a refresh step such as deep discharge may be performed to eliminate the temporary characteristic change.

次に、図13の劣化履歴カウンタ確認(S2)において、カウンタ値が1以上と判定され、劣化履歴有りの場合の状態検知について、図15を参照して説明する。履歴有りの状態検知を開始した場合(S20)、電池温度及び開放回路電圧(OCV)を計測し、直前の電池の利用状態が充電(CS)か放電(DS)かを特定する(S21)。なお、記憶部以後の処理において用いられる比較用データ(各種しきい値)及び所定電気パラメータとSOCとの対応マップは、この充電か放電かの特定結果に応じて決定される。   Next, state detection in the case where the counter value is determined to be 1 or more in the deterioration history counter confirmation (S2) of FIG. 13 and there is a deterioration history will be described with reference to FIG. When the state detection with the history is started (S20), the battery temperature and the open circuit voltage (OCV) are measured, and it is specified whether the use state of the battery immediately before is charge (CS) or discharge (DS) (S21). Note that the comparison data (various threshold values) and the correspondence map between the predetermined electrical parameter and the SOC used in the processing after the storage unit are determined according to the specific result of the charge or discharge.

次に、所定の高周波数fH及び低周波数fLの正弦波の電池への重畳を開始し(S22)、特性判定部20は、この正弦波重畳時の電池応答電iを記録し、この正弦波の重畳が終了すると(S23)、次に、位相弁別法によって対応する周波数についてのコンダクタンスG(GH、GL)及びサセプタンスB(BH、BL)を算出する(S24)。 Next, superimposition of predetermined high frequency f H and low frequency f L sine waves on the battery is started (S22), and the characteristic determination unit 20 records the battery response electricity i at the time of the sine wave superposition, When the superposition of the sine wave is completed (S23), the conductance G (G H , G L ) and the susceptance B (B H , B L ) are calculated for the corresponding frequencies by the phase discrimination method (S24).

さらに、測定温度に応じた標準値(ここでは高周波数側の標準サセプタンスBH)を記憶部12から読み出し、この標準値をしきい値として、対応する算出値(ここでは算出した高周波数側のサセプタンスBH)と比較する(S25)。なお、状態検知開始からしきい値との比較までは、上記図14の劣化履歴なしの場合と同様である。 Further, a standard value corresponding to the measured temperature (here, the high frequency side standard susceptance B H ) is read from the storage unit 12, and the corresponding calculated value (here, the calculated high frequency side is used) as a threshold value. Compared with susceptance B H ) (S25). Note that the process from the start of state detection to the comparison with the threshold value is the same as in the case of no deterioration history in FIG.

ステップ25において、しきい値と算出値の比較の結果、算出値がしきい値未満でない、つまり、しきい値以上であれば(No)、一時的特性変化の発生なしと判定し、履歴カウンタ値を1減らし(−1)、さらに、ステップ24で求めたコンダクタンスG(GH、GL)又はサセプタンスB(BH、BL)を利用して記憶部12に記憶しておいた図9,図12のようなG−SOCマップ又はB−SOCマップに基づいてSOCを決定し(S26)、一連の状態検知処理を終了する。 In step 25, as a result of the comparison between the threshold value and the calculated value, if the calculated value is not less than the threshold value, that is, if it is equal to or greater than the threshold value (No), it is determined that there is no temporary characteristic change, and the history counter The value is reduced by 1 (−1), and further stored in the storage unit 12 using the conductance G (G H , G L ) or the susceptance B (B H , B L ) obtained in Step 24. , The SOC is determined based on the G-SOC map or the B-SOC map as shown in FIG. 12 (S26), and the series of state detection processing ends.

ステップ25において、しきい値(ここでは高周波数側サセプタンスBH)と、算出値(ここでは高周波数側サセプタンスBH)とを比較した結果、算出値がしきい値未満の場合(Yes)、さらに、ステップ24で算出したコンダクタンスGとサセプタンスBの内、ステップ25の判定対象でない値(ここではコンダクタンスG)を、記憶部12に記憶してある対応する標準値と比較する(S27)。図15の例では、この比較に用いる算出用及びしきい値のコンダクタンスGは、それぞれ対応する温度における高周波数側のコンダクタンスGHである。なお、コンダクタンスGについては、よりSOC検出精度の高い低周波数側のコンダクタンスGLを算出及びしきい値の対象として比較してもよい。 In step 25, as a result of comparing the threshold value (here high frequency side susceptance B H ) with the calculated value (here high frequency side susceptance B H ), the calculated value is less than the threshold value (Yes), Further, of the conductance G and the susceptance B calculated in step 24, the value that is not determined in step 25 (here, conductance G) is compared with the corresponding standard value stored in the storage unit 12 (S27). In the example of FIG. 15, the conductance G for calculation and the threshold used for this comparison is the conductance GH on the high frequency side at the corresponding temperature. For the conductance G, the conductance GL on the low frequency side with higher SOC detection accuracy may be calculated and compared as a threshold value target.

ステップ27におけるしきい値(コンダクタンスG)と算出値(コンダクタンスG)の比較の結果、算出値がしきい値未満でない、つまり、しきい値以上であれば(No)、一時的特性変化の発生との判定は変わらず、履歴カウンタ値を1増やす(+1)。さらに、ステップ24で求めたコンダクタンスG(GH、GL)又はサセプタンスB(BH、BL)を利用して記憶部12に記憶しておいた図9,図12のようなG−SOCマップ又はB−SOCマップに基づいてSOCを決定し(S29)、状態検知を終了する。なお、この場合、一時的特性変化を解消するためのリフレッシュステップに移行し、一時的特性変化を解消してもよい。 As a result of the comparison between the threshold value (conductance G) and the calculated value (conductance G) in step 27, if the calculated value is not less than the threshold value, that is, if it is equal to or greater than the threshold value (No), a temporary characteristic change occurs. The history counter value is incremented by 1 (+1). Further, the G-SOC as shown in FIGS. 9 and 12 stored in the storage unit 12 using the conductance G (G H , G L ) or the susceptance B (B H , B L ) obtained in step 24. The SOC is determined based on the map or the B-SOC map (S29), and the state detection ends. In this case, the transition to the refresh step for eliminating the temporary characteristic change may be performed to eliminate the temporary characteristic change.

ステップ27において、しきい値(コンダクタンスG)と算出値(コンダクタンスG)の比較の結果、算出値がしきい値未満の場合(Yes)、一時的ではない電池の特性劣化の進行と判断し、履歴カウンタ値を2増やす(+2)。また、ステップ24で求めたコンダクタンスG(GH、GL)又はサセプタンスB(BH、BL)を利用して記憶部12に記憶しておいた図9,図12のようなG−SOCマップ又はB−SOCマップに基づいてSOCを決定し(S28)、状態検知を終了する。 In step 27, as a result of the comparison between the threshold value (conductance G) and the calculated value (conductance G), when the calculated value is less than the threshold value (Yes), it is determined that the battery characteristics are not temporarily deteriorated. The history counter value is increased by 2 (+2). The G-SOC as shown in FIGS. 9 and 12 stored in the storage unit 12 using the conductance G (G H , G L ) or the susceptance B (B H , B L ) obtained in step 24. The SOC is determined based on the map or the B-SOC map (S28), and the state detection is terminated.

以上のように、本実施形態の手法によれば、精度良くSOC(実用残存容量)を検出することができると共に、劣化カウンタによって随時劣化度をカウントすることで、電池の初期特性(標準状態)などからの乖離を常時把握することができ、電池の状態に応じた適切な対応を実行することができる。なお、カウント値が所定値を超えた場合(例えば+3)の場合には、電池利用者に対して電池の劣化発生を警告表示などを実行してもよい。   As described above, according to the method of the present embodiment, the SOC (practical remaining capacity) can be detected with high accuracy, and the initial characteristics (standard state) of the battery can be obtained by counting the degree of deterioration at any time by the deterioration counter. Thus, it is possible to always grasp the deviation from the above, and it is possible to execute an appropriate response according to the state of the battery. In the case where the count value exceeds a predetermined value (for example, +3), a warning display or the like may be executed for the battery user when the battery has deteriorated.

なお、図14、図15においてSOC決定に用いるマップとしては、上述の通りG−SOCマップ又はB−SOCマップのいずれかを採用可能であるが、両方のマップを採用しても良いし、OCVとSOCの対応マップを併用することも可能である。   In addition, as a map used for SOC determination in FIG. 14, FIG. 15, either a G-SOC map or a B-SOC map can be employ | adopted as above-mentioned, but both maps may be employ | adopted and OCV. And SOC correspondence map can be used together.

また、図14,図15においてコンダクタンスG及びサセプタンスBの両方を算出する例について説明しているが、少なくとも電池の特性変化の際に、高周波数の交流波形を印加した場合に、変化程度の大きいサセプタンスBHのみを算出しても良い。しかし、図14,図15のようにサセプタンスだけでなくコンダクタンスも算出し、コンダクタンスについても所定しきい値との比較を実行することで、特性の劣化をより正確に判定することが可能となる。 14 and 15 describe an example in which both conductance G and susceptance B are calculated. However, at least when a high-frequency AC waveform is applied at the time of battery characteristic change, the degree of change is large. Only the susceptance B H may be calculated. However, by calculating not only the susceptance but also the conductance as shown in FIGS. 14 and 15 and comparing the conductance with a predetermined threshold, it is possible to more accurately determine the deterioration of characteristics.

また、図14,図15においては、サセプタンスB及びコンダクタンスGの両方を算出するので、サセプタンスBについては、少なくとも所定の高周波数側fHの正弦波、コンダクタンスGについては、少なくとも所定の低周波数側fLの正弦波を電池に印加することが好適である。このため、図14,図15の例では、ステップ12,22において、複数の周波数(電池の特性に応じて適切な高周波数、低周波数)の正弦波を電池に印加し、コンダクタンスG及びサセプタンスBの算出に利用している。 14 and 15, since both susceptance B and conductance G are calculated, susceptance B is at least a predetermined high frequency side f H sine wave, and conductance G is at least a predetermined low frequency side. It is preferable to apply a sine wave of f L to the battery. For this reason, in the examples of FIGS. 14 and 15, in steps 12 and 22, a sine wave having a plurality of frequencies (appropriate high frequency and low frequency depending on the characteristics of the battery) is applied to the battery, and conductance G and susceptance B are applied. It is used for calculation.

本発明の実施形態に係る電池及び電池特性検出装置の概略構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of schematic structure of the battery and battery characteristic detection apparatus which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る電池の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る正弦波電圧を抵抗に印加した場合の正弦波電圧と抵抗に流れる電流IR特性を示す図である。The current I R characteristic flowing into the sinusoidal voltage and resistance when a sine wave voltage according to an embodiment of the present invention is applied to the resistor; FIG. 本発明の実施形態に係る正弦波電圧をキャパシタに印加した場合の正弦波電圧とキャパシタに流れる電流IC特性を示す図である。The sine wave voltage according to an embodiment of the present invention is a diagram showing a current I C characteristic flowing into the sine wave voltage and a capacitor in the case of applying to the capacitor. 本発明の実施形態に係る正弦波電圧を抵抗及びキャパシタの並列に印加した場合の正弦波電圧と抵抗及びキャパシタの並列に流れる電流IO特性を示す図である。It is a figure which shows the current IO characteristic which flows in parallel of a sine wave voltage and resistance and a capacitor at the time of applying the sine wave voltage which concerns on embodiment of this invention in parallel with resistance and a capacitor. 本発明の実施形態に係る二相発振回路の回路構成例を示す図である。It is a figure which shows the circuit structural example of the two-phase oscillation circuit which concerns on embodiment of this invention. 電池のSOCと物質移動速度由来の抵抗との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between SOC of a battery, and resistance derived from a mass transfer rate. 電池のOCVと物質移動速度由来の抵抗との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between OCV of a battery, and resistance derived from a mass transfer rate. 本発明の実施形態に係る周波数とコンダクタンスGとの電池SOC別の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship according to battery SOC of the frequency and the conductance G which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るアルカリ二次電池におけるOCVとSOCの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between OCV and SOC in the alkaline secondary battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るアルカリ二次電池における電気二重層容量とSOCとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electrical double layer capacity | capacitance and SOC in the alkaline secondary battery which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る周波数とサセプタンスBとの電池SOC別の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship according to battery SOC of the frequency and susceptance B which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る電池状態の検知手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detection procedure of the battery state which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る電池状態の図13に続く検知手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detection procedure following FIG. 13 of the battery state which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る電池状態の図13に続く他の検知手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the other detection procedure following FIG. 13 of the battery state which concerns on embodiment of this invention. 従来知られていた電池の内部抵抗rと放電深さ(DOD)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the internal resistance r of a battery known conventionally, and discharge depth (DOD).

符号の説明Explanation of symbols

10 特性検出装置、12 記憶部、16 応答電流検出部、18 温度測定部、20 電池特性判定部、34 スイッチ、40 二次電池、50 インバータ、52 モータ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Characteristic detection apparatus, 12 Memory | storage part, 16 Response current detection part, 18 Temperature measurement part, 20 Battery characteristic determination part, 34 Switch, 40 Secondary battery, 50 Inverter, 52 Motor.

Claims (6)

所定状態の電池に、所定周波数の正弦波を印加した際の応答電流を検出し、
前記応答電流に基づいて、電池のサセプタンス又はコンダクタンスの少なくとも一方を算出し、
算出した前記サセプタンス又はコンダクタンスと、電池の放電可能容量との対応関係から前記電池の放電可能容量を検出することを特徴とする電池特性の検出方法。
The response current when a sine wave of a predetermined frequency is applied to a battery in a predetermined state is detected.
Based on the response current, calculate at least one of susceptance or conductance of the battery,
A battery characteristic detection method, comprising: detecting a dischargeable capacity of the battery from a correspondence relationship between the calculated susceptance or conductance and the dischargeable capacity of the battery.
請求項1に記載の電池特性の検出方法において、
前記電池のコンダクタンスは、前記電池に印加した前記正弦波と同一の周波数及び同位相の正弦波信号の正極性区間に対する応答電流の積分によって算出し、
前記電池のサセプタンスは、前記正弦波と同一の周波数及びπだけ位相の異なる余弦波信号の正極性区間に対する前記応答電流の積分によって算出することを特徴とする電池特性の検出方法。
The battery characteristic detection method according to claim 1,
The conductance of the battery is calculated by integrating the response current to the positive polarity section of the sine wave signal having the same frequency and the same phase as the sine wave applied to the battery,
The battery susceptance is calculated by integrating the response current with respect to a positive interval of a cosine wave signal having the same frequency and a phase different by π as the sine wave.
電池の温度及び開回路電圧を測定し、前記電池の直前の利用状態が充電か放電かを特定する第1ステップと、
電池に所定の信号を印加した際の応答電流から当該電池のサセプタンス及びコンダクタンスを算出する第2ステップと、
前記算出した電池のサセプタンス及びコンダクタンスと、特定された前記電池の直前利用状態に応じた電池固有のサセプタンス及びコンダクタンスの各しきい値とを比較し、比較結果に応じて、該当電池の劣化状態を判定する第3ステップと、
判定された前記電池の劣化状態を考慮し、かつ、前記算出した当該電池のサセプタンス又はコンダクタンスに基づいて前記電池の放電可能容量を算出する第4ステップと、
を備えることを特徴とする電池特性の検出方法。
Measuring the temperature and open circuit voltage of the battery, and determining whether the use state immediately before the battery is charging or discharging;
A second step of calculating the susceptance and conductance of the battery from the response current when a predetermined signal is applied to the battery;
The calculated susceptance and conductance of the battery are compared with the threshold values of the susceptance and conductance specific to the battery according to the specified use state of the battery immediately before, and the deterioration state of the corresponding battery is determined according to the comparison result. A third step of determining;
A fourth step of considering the determined deterioration state of the battery and calculating the dischargeable capacity of the battery based on the calculated susceptance or conductance of the battery;
A battery characteristic detection method comprising:
請求項3に記載の電池特性の検出方法において、
前記第2ステップにおいて算出する電池のサセプタンス又はコンダクタンスは、
前記電池に対して該電池の開回路電圧に所定周波数の微小交流電位を重畳した際の応答電流の解析によって求めることを特徴とする電池特性の検出方法。
In the battery characteristic detection method according to claim 3,
The susceptance or conductance of the battery calculated in the second step is
A method for detecting battery characteristics, wherein the battery characteristics are obtained by analyzing a response current when a micro alternating potential having a predetermined frequency is superimposed on an open circuit voltage of the battery.
電池特性の検出装置であって、
所定状態の電池に印加するための所定の検出用交流波形を発生する検出用交流波形発生手段と、
前記検出用交流波形を前記電池に印加した際の電池の応答電流を検知する応答電流検知手段と、
前記応答電流に基づいて前記電池の特性を判定する判定手段とを備え、
前記判定手段は、
前記応答電流から前記電池のサセプタンス又はコンダクタンスの少なくとも一方を算出する算出手段と、
標準状態における前記サセプタンス又はコンダクタンスに応じた所定しきい値と、前記算出したサセプタンス又はコンダクタンスとを比較する比較手段と、
前記算出したサセプタンス又はコンダクタンスが前記所定しきい値未満になった場合に前記電池に特性変化が発生したと判定する特性変化判定手段と、
を備えることを特徴とする電池特性の検出装置。
A battery characteristic detection device comprising:
AC waveform generating means for detection that generates a predetermined AC waveform for detection to be applied to a battery in a predetermined state;
A response current detecting means for detecting a response current of the battery when the AC waveform for detection is applied to the battery;
Determination means for determining characteristics of the battery based on the response current;
The determination means includes
Calculating means for calculating at least one of susceptance or conductance of the battery from the response current;
A comparison means for comparing a predetermined threshold value according to the susceptance or conductance in a standard state with the calculated susceptance or conductance;
A characteristic change determining means for determining that a characteristic change has occurred in the battery when the calculated susceptance or conductance is less than the predetermined threshold;
A battery characteristic detection device comprising:
請求項5に記載の検出装置において、
さらに、温度測定手段と、
所定温度毎の標準状態における前記サセプタンス又はコンダクタンスのしきい値と、所定温度毎の標準状態における前記サセプタンス又はコンダクタンスと前記電池の放電可能容量との対応マップとをそれぞれ格納する記憶手段と、を備え、
前記判定手段は、
前記算出した電池のサセプタンス又はコンダクタンスの一方と、前記温度測定手段で得た温度における対応する前記しきい値と比較し、前記電池の特性を判定し、
前記算出した電池のサセプタンス又はコンダクタンスの一方から、前記対応マップに基づいて電池の放電可能容量を求めることを特徴とする電池特性の検出装置。
The detection device according to claim 5,
Furthermore, temperature measuring means,
Storage means for storing the threshold value of the susceptance or conductance in the standard state for each predetermined temperature and a correspondence map of the susceptance or conductance in the standard state for each predetermined temperature and the dischargeable capacity of the battery, respectively. ,
The determination means includes
Comparing one of the calculated battery susceptance or conductance with the corresponding threshold at the temperature obtained by the temperature measuring means, and determining the characteristics of the battery;
An apparatus for detecting battery characteristics, wherein a dischargeable capacity of a battery is obtained from one of the calculated susceptance or conductance of the battery based on the correspondence map.
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